流域生態系における物質循環

1５０６２９生態系の科学

九州大学演習林

大槻恭一・智和正明

自己紹介

最近の生態系研究の動向

森林の水はきれい？

森林における窒素循環

多々良川流域の水はなぜ汚れているのか？

森林は窒素飽和しているのか？

自己紹介

最近の生態系研究の動向

森林の水はきれい？

森林における窒素循環

多々良川流域の水はなぜ汚れているのか？

森林は窒素飽和しているのか？

2014年から地球環境に関する国際協同研究が始動

Future Earthアジア地域事務局＠総合地球環境学研究所

アジアが地球環境に与える影響は非常に大きい．

近年，人間活動によって地球環境は大きく変化

限界を超えている生物多様性喪失，窒素循環，気候変動

自己紹介

最近の生態系研究の動向

森林の水はきれい？

森林における窒素循環

多々良川流域の水はなぜ汚れているのか？

森林は窒素飽和しているのか？

自動車 排ガス工場 煙 川の水を汚す

大気を汚す

工業用水生活排水

地球上で進行している汚染

赤潮

赤潮の発生（伊勢湾）

プランクトンの異常発生

窒素・リンなどの栄養塩による富栄養化

水質汚染の影響

例）森林，農地，都市域

面源負荷・・・汚染源が点として認識できない

点源負荷・・・汚染源が地図上で点として認識できる

例）工場，事業場，下水処理場，家庭，畜産

汚染源には点源と面源がある

対策（規制）が困難面源負荷

対策（規制）が容易点源負荷

農地，都市域 → 対策必要

森林 → 対策不必要？

対策（規制）

面源負荷対策は難しい

渓流水

天然水，ミネラルウォーター

きれい，健康的，おいしい

「森林の水」はきれい？

・洪水軽減：河川の増水量の軽減

・渇水緩和：無降雨時の低水量を安定的に供給

・水質浄化：土壌を通過することによって水質が浄化

緑のダム

水質浄化は森林の多面的機能の一つ

①濁水がない

②窒素濃度が低い

③酸性度が低い

④ミネラル分が適度に含有

森林で期待される水質浄化

ppm

降水

林内雨

地表流

地中流

渓流

窒素

0 0.5 1.0 1.5 2.0 7 6 5 4

降水

土壌水

地下水

湧水

酸性度

林内雨

渓流水

pH

(Asano et al.，2005)（岩坪ほか，1968）雨

渓流

森林

森林における水質浄化の様子

多々良川水系における河川水の水質調査

最上流部：森林のみ 7地点

上 流 ： 5地点

中 流 ： 4地点

下 流 ： 5地点

森林の水はきれい？～多々良川流域の例～

：高濃度（0.6 – 1.2 mg L-1）：下流域と同程度

森林からの渓流水中NO3-

0 10 20 30 40 50N

O [

L]

3

- -1

mg

0

0.5

1.0

1.5

2.0

都市・農地面積 [%]

NO3-

渓流水は汚れている！～多々良川流域の例～

0

20

40

60

80

最上流

（渓流水）

上流

中流

下流

窒素濃度

(uM

)

多々良川水系の上流～下流における河川水中硝酸イオン濃度

渓流水が硝酸イオンで汚染されている！

硝酸イオン：上流－下流でほとんど変わらない！

0

50

100

150

福岡

A（多々良川）

福岡

B（多々良川）

椎葉

A（広野流域）

硝酸イオン濃度

(uM

)

椎葉

B（広野流域）

椎葉

C（広野流域）

椎葉

福岡

すべての渓流水が汚れているわけではない

福岡 ＞ 椎葉

水質汚濁：点源負荷 → 汚染源が点で分かる

面源負荷→ 農地，都市域，森林

森林：水質浄化機能 → きれい？

多々良川流域の渓流水は？ → 窒素で汚染されている

小括

森林の水はきれい？

自己紹介

最近の生態系研究の動向

森林の水はきれい？

森林における窒素循環

多々良川流域の水はなぜ汚れているのか？

森林は窒素飽和しているのか？

有機態：アミノ酸，タンパク質，核酸 など

無機態：

亜硝酸イオン（NO2-) ほとんどない

硝酸イオン（NO3-)

森林における窒素（N）の化学形態～

アンモニウムイオン（NH4+)

大気中のN2

窒素固定

NH4+

落葉

分解

NO3-

硝化

脱窒大気沈着

溶脱

窒素循環（全体概略）

吸収

内部循環と外部循環

N2→植物は直接利用できない大気中のN2

NH4+

窒素固定

窒素固定菌

生物的窒素固定

森林への窒素供給 （その１）

NOx 湿性沈着

雲

HNO3

酸化

窒素化合物の大気沈着

NH3

乾性沈着

工場・自動車農地

森林への窒素供給 （その２）大気沈着（湿性・乾性）

④硝化

③分解①

NH4+NO3

-

吸収

森林生態系（地上部・地下部）内部での窒素循環

②落葉

有機態窒素

土壌負に帯電

土壌に吸着（溶脱しない）

（渓流へ）

溶脱

NO3-

NH4+

脱窒

森林生態系外への流出

N2

小括森林における窒素循環

窒素固定

自己紹介

最近の生態系研究の動向

森林の水はきれい？

森林における窒素循環

多々良川流域の水はなぜ汚れているのか？

森林は窒素飽和しているのか？

考えられる要因（可能性）

0

50

100

150

福岡

A（多々良川）

福岡

B（多々良川）

椎葉

A（広野流域）

硝酸イオン濃度

(uM

)

椎葉

B（広野流域）

椎葉

C（広野流域）

１．供給

沈着量が多い？

２．吸収

植物の吸収量が少ない？

３．渓流へ

脱窒が少ない？

なぜ多々良川流域の渓流水は汚れているのか？

関東・中部地方80流域（森林）における渓流水中の硝酸イオン濃度の分布（伊藤ら，2004）

→ 大都市近郊：濃度が高い

図９ 関東地域における沈着量（吉川ら,2012)

→ 大都市近郊：沈着量が多い

NO3-

NH4+

都市域 山間部

1.6

0

0.4

0.8

1.2

沈着量

(km

ol

ha-1

yr-1

)窒素沈着量が多いと渓流水の硝酸イオン濃度高い

都市近郊と山間部で比較すると

～広島市の場合～

0

10

20

30

40

50

60

Net TF(Dry deposition)

Rainfall(Wet deposition)

NO3

-

SO42-

Deposition (mmol m

)-2

Fig. 3 Net throughfall (TF- RF) and rainfall

(RF) deposition at urban- and rural- forested sites.

Urban Rural Urban Rural

湿性沈着

乾性沈着

近郊林 山間部 近郊林 山間部

近郊林の方が山間部より窒素沈着量が多い～広島市の場合～

窒素の沈着量

（kgN

ha-1

yr-1）

Year

0

4

8

12

16

1990 1995 2000 2005 2010

多々良川流域における窒素沈着量

多々良川流域では大気沈着量が増加している！

ハーバー・ボッシュ法： N2 + 3H2 → 2NH3

化学的窒素固定

窒素沈着量が増加したのはなぜか？ （その１）→ 人工肥料の生産

アジア：年々上昇傾向

NOx排出量経年変化（Akimoto, 2004)

year

NO

x排出量

(kt

yr-1

)

40000

30000

20000

10000

50001970 1980 1990 2000

北米

欧州

アジア

窒素沈着量が増加したのはなぜか？ （その２）→ 化石燃料の燃焼

窒素沈着量が多い 渓流水中の硝酸イオン高濃度

植物・微生物による窒素吸収

森林の窒素吸収が減っている可能性もある？

流出少ない

吸収が増える

大気沈着

窒素制限下では窒素供給が多くなると，

→ 窒素の吸収が増え，窒素流出は少ない

流出増える

吸収に限界

大気沈着

窒素飽和下で窒素供給が多くなると，

→ 窒素吸収が頭打ちし，窒素流出は増える

窒素供給量 樹木にとって窒素は 森林生態系外の窒素流出

少ない 成長の制限因子 少ない

増加すると… 成長が促進 少ない

さらに増加すると… 成長制限因子ではない 顕著

森林生態系が窒素過多な状態に陥ること → 窒素飽和

植物の窒素吸収にも限界がある

～窒素飽和～

窒素飽和：本来生育に必要な窒素が過剰に供給されたために，窒素過多の状態に陥ること

窒素の供給量 (kgN ha-1yr-1)

0 10 20 30 40 50 60 70 80

渓流水中

NO

3- (kg

N h

a-1yr

-1)

Dise and Wright (1995) 欧州の森林から解析

Level １<10 kgN ha-1 yr-1

→窒素流出なし

Level ２10 ~25 kgN ha-1 yr-1

→窒素流出の可能性

Level ３> 25 kgN ha-1 yr-1

→窒素流出

40

30

20

10

0

植物の窒素吸収にも限界がある

～窒素飽和の基準～

１ ２ ３

窒素の沈着量

(kgN

ha-1

yr-1

)

Year

0

4

8

12

16

1990 1995 2000 2005 2010

多々良川流域における窒素沈着量

多々良川流域の森林は窒素飽和の可能性

森林のメタボ化が全国で問題に

小括多々良川流域の水はなぜ汚れているのか？

大気沈着量の増大

窒素飽和の可能性

自己紹介

最近の生態系研究の動向

森林の水はきれい？

森林における窒素循環

多々良川流域の水はなぜ汚れているのか？

森林は窒素飽和しているのか？

割が人工林（スギ・ヒノキ）

人工林が高齢化

ヒノキ・スギ（＞６１年生）

ヒノキ・スギ（４６−６１年生）

ヒノキ・スギ（３１−４５年生）

ヒノキ・スギ（１６−３０年生）

ヒノキ・スギ（１−１５年生）

マツ

広葉樹

森林面積

人工林の一斉造林：

１９５０−１９６０年代

伐期：４０−５０年生

窒素飽和を促進する要因は？人工林の高齢化

スギの加齢に伴う窒素吸収量の変化(Fukushima et al., 2011)

樹齢（年） 窒素吸収量 (kgN ha-1 yr-1)

5 18

16 53

31 25

42 24

89 34

人工林の高齢化 → 窒素飽和しやすい

人工林高齢化の影響～窒素吸収量の減少～

0 10 20 30 40 50

NO

[ L

]3

- -1

mg

0

0.5

1.0

1.5

2.0

都市・農地面積 [%]0 10 20 30 40 50

0.05

0.10

0.15

TP

[m

g L

]-1

0.20

農地・都市面積 [%]

0

農業・都市活動の影響は？～リンは増加，窒素はやや減少～

農業活動は減少，都市活動は増加

NO

[ L

]3

- -1mg 1.0

2.0

TP

[mg

L]

-1

0.4

0

19

75

19

80

19

85

19

90

19

95

20

00

20

05

20

10

Year

0.8

農地・都市からの削減効果

森林の窒素飽和の影響

全リン濃度は減少しているがNO3

-濃度は上昇している

下流河川水質の長期変化 1977-2007年（30年間）

公共用水質データ （多々良川，宇美，須恵下流）

大気由来の窒素沈着の増加

渓流水中の硝酸イオンが高濃度

農地・都市域からの汚濁物質の流出は抑えられている

森林域が重要な面源負荷

多々良川流域

人工林の高齢化 促進

抑える必要がある

総括

森林の窒素飽和

対策

地球規模の汚染排出量規制

森林管理